ما هو الفرق بين تطبيقات كربيد السيليكون (SIC) و Nitride (GAN)؟ - انتصار النقش في VETEK

كربيد كربيدوالجاليوميشار إلى باسم "أشباه الموصلات على نطاق واسع" (WBG). نظرًا لعملية الإنتاج المستخدمة ، تُظهر أجهزة WBG المزايا التالية:

1. أشباه الموصلات واسعة النطاق

نيتريد غاليوم (GAN)وكربيد السيليكون (كذا)متشابهة نسبيًا من حيث فجوة النطاق ومجال الانهيار. تبلغ فجوة نطاق نيتريد الغاليوم 3.2 فولت، بينما تبلغ فجوة نطاق كربيد السيليكون 3.4 فولت. وعلى الرغم من أن هذه القيم تبدو متشابهة، إلا أنها أعلى بكثير من فجوة نطاق السيليكون. تبلغ فجوة نطاق السيليكون 1.1 فولت فقط، وهي أصغر بثلاث مرات من نيتريد الغاليوم وكربيد السيليكون. تسمح فجوات النطاق الأعلى لهذه المركبات لنتريد الغاليوم وكربيد السيليكون بدعم دوائر الجهد العالي بشكل مريح، لكنها لا تستطيع دعم دوائر الجهد المنخفض مثل السيليكون.

2. انهيار قوة المجال

تتشابه حقول انهيار نيتريد الغاليوم وكربيد السيليكون نسبيًا ، حيث يحتوي نيتريد الغاليوم على حقل انهيار قدره 3.3 mV/cm وكربيد السيليكون الذي يبلغ 3.5 mV/cm. تسمح حقول الانهيار هذه للمركبات بالتعامل مع الفولتية العليا بشكل أفضل من السيليكون العادي. يحتوي السيليكون على حقل انهيار قدره 0.3 mV/سم ، مما يعني أن GAN و SIC أكثر قدرة عشرة أضعاف على الحفاظ على الفولتية العالية. كما أنها قادرة على دعم الفولتية الأقل باستخدام أجهزة أصغر بكثير.

3. ترانزستور الحركة الإلكترونية العالية (HEMT)

الفرق الأكثر أهمية بين GaN وSiC هو حركية الإلكترون، مما يشير إلى مدى سرعة تحرك الإلكترونات عبر مادة أشباه الموصلات. أولاً، يتمتع السيليكون بحركة إلكترون تبلغ 1500 سم^2/Vs. يتمتع GaN بحركة إلكترون تبلغ 2000 سم^2/فولت، مما يعني أن الإلكترونات تتحرك أسرع بنسبة تزيد عن 30% من إلكترونات السيليكون. ومع ذلك، يتمتع SiC بحركة إلكترون تبلغ 650 سم^2/Vs، مما يعني أن إلكترونات SiC تتحرك بشكل أبطأ من إلكترونات GaN وSi. مع مثل هذه الحركة الإلكترونية العالية، فإن GaN أكثر قدرة بثلاث مرات تقريبًا على التطبيقات عالية التردد. يمكن للإلكترونات أن تتحرك عبر أشباه الموصلات GaN بشكل أسرع بكثير من SiC.

4. التوصيل الحراري لـ GaN وكربيد كربيد

الموصلية الحرارية للمادة هي قدرتها على نقل الحرارة من خلال نفسها. تؤثر الموصلية الحرارية بشكل مباشر على درجة حرارة المادة، بالنظر إلى البيئة التي تستخدم فيها. في التطبيقات عالية الطاقة، يؤدي عدم كفاءة المادة إلى توليد حرارة، مما يؤدي إلى رفع درجة حرارة المادة وبالتالي تغيير خصائصها الكهربائية. يمتلك GaN موصلية حرارية تبلغ 1.3 واط / سم كلفن، وهو في الواقع أسوأ من السيليكون الذي يتمتع بموصلية حرارية تبلغ 1.5 واط / سم كلفن. ومع ذلك، يتمتع SiC بموصلية حرارية تبلغ 5 واط / سم كلفن، مما يجعله أفضل بثلاث مرات تقريبًا في نقل الأحمال الحرارية. هذه الخاصية تجعل SiC مفيدًا للغاية في التطبيقات عالية الطاقة ودرجات الحرارة العالية.

5. عملية تصنيع رقاقة أشباه الموصلات

تعد عمليات التصنيع الحالية عاملاً مقيدًا لـ GaN وSiC لأنها أكثر تكلفة أو أقل دقة أو أكثر استهلاكًا للطاقة من عمليات تصنيع السيليكون المعتمدة على نطاق واسع. على سبيل المثال، يحتوي GaN على عدد كبير من العيوب البلورية على مساحة صغيرة. ومن ناحية أخرى، يمكن أن يحتوي السيليكون على 100 عيب فقط في كل سنتيمتر مربع. من الواضح أن معدل الخلل الضخم هذا يجعل GaN غير فعال. في حين أن الشركات المصنعة قد خطت خطوات كبيرة في السنوات الأخيرة، إلا أن GaN لا يزال يكافح من أجل تلبية متطلبات تصميم أشباه الموصلات الصارمة.

6. سوق أشباه الموصلات الطاقة

وبالمقارنة بالسيليكون، فإن تكنولوجيا التصنيع الحالية تحد من فعالية تكلفة نيتريد الغاليوم وكربيد السيليكون، مما يجعل كلتا المادتين عاليتي الطاقة أكثر تكلفة على المدى القصير. ومع ذلك، تتمتع كلتا المادتين بمزايا قوية في تطبيقات محددة لأشباه الموصلات.

قد يكون كربيد السيليكون منتجًا أكثر فعالية على المدى القصير لأنه من الأسهل تصنيع رقائق أكبر وأكثر تجانسًا من نيتريد الغاليوم. وبمرور الوقت، سوف تجد نيتريد الغاليوم مكانها في المنتجات الصغيرة عالية التردد نظرًا لحركيتها العالية للإلكترونات. سيكون كربيد السيليكون مرغوبًا أكثر في منتجات الطاقة الأكبر نظرًا لأن قدراته على الطاقة أعلى من التوصيل الحراري لنتريد الغاليوم.

نيتريد غاليومد تتنافس أجهزة كربيد السيليكون مع دوائر MOSFET لأشباه موصلات السيليكون (LDMOS) وMOSFETs الفائقة. تتشابه أجهزة GaN وSiC في بعض النواحي، ولكن هناك أيضًا اختلافات كبيرة.

الشكل 1. العلاقة بين الجهد العالي ، تيار مرتفع ، تردد التبديل ، ومجالات التطبيق الرئيسية.

أشباه الموصلات واسعة النطاق

تتمتع أشباه الموصلات المركبة WBG بتنقل إلكترون أعلى وطاقة أعلى لجلسة النطاق ، والتي تترجم إلى خصائص متفوقة على السيليكون. الترانزستورات المصنوعة من أشباه الموصلات المركبة WBG لها فولتية انهيار أعلى والتسامح مع درجات حرارة عالية. توفر هذه الأجهزة مزايا على السيليكون في تطبيقات عالية الجهد وذات الطاقة العالية.

الشكل 2. دائرة شلالات مزدوجة-DIE تعمل على تحويل الترانزستور GAN إلى جهاز غير متوقف ، مما يتيح تشغيل وضع التحسين القياسي في دوائر التبديل عالي الطاقة

تبديل الترانزستورات WBG بشكل أسرع من السيليكون ويمكن أن تعمل بترددات أعلى. تقل المقاومة "ON" تعني أنها تبدد قوة أقل ، وتحسين كفاءة الطاقة. هذا المزيج الفريد من الخصائص يجعل هذه الأجهزة جذابة لبعض الدوائر الأكثر تطلبًا في تطبيقات السيارات ، وخاصة السيارات الهجينة والكهربائية.

ترانزستورات GaN وSiC لمواجهة التحديات في المعدات الكهربائية للسيارات

المزايا الرئيسية لأجهزة GaN وSiC: قدرة الجهد العالي، مع أجهزة 650 فولت و900 فولت و1200 فولت،

كربيد السيليكون:

أعلى 1700 فولت. 3300 فولت و 6500 فولت.

سرعات التبديل بشكل أسرع ،

ارتفاع درجات حرارة التشغيل.

أقل على المقاومة ، والتبديد الحد الأدنى للطاقة ، وارتفاع كفاءة الطاقة.

أجهزة GAN

عند تبديل التطبيقات، تُفضل أجهزة وضع التحسين (أو الوضع E)، والتي عادةً ما تكون "متوقفة عن التشغيل"، مما أدى إلى تطوير أجهزة GaN ذات الوضع E. أولاً جاءت سلسلة جهازين FET (الشكل 2). الآن، تتوفر أجهزة GaN ذات الوضع الإلكتروني القياسي. يمكنهم التبديل بترددات تصل إلى 10 ميجاهرتز ومستويات طاقة تصل إلى عشرات الكيلووات.

تستخدم أجهزة GAN على نطاق واسع في المعدات اللاسلكية كمكبرات صوت للطاقة على ترددات تصل إلى 100 جيجاهرتز. بعض حالات الاستخدام الرئيسية هي مضخمات الطاقة في محطة القاعدة الخلوية ، والرادارات العسكرية ، ومرسلات الأقمار الصناعية ، وتضخيم RF العام. ومع ذلك ، نظرًا لارتفاع الجهد (ما يصل إلى 1000 فولت) ، ودرجة حرارة عالية ، والتبديل السريع ، يتم دمجها أيضًا في تطبيقات طاقة التبديل المختلفة مثل محولات DC-DC ، والمزولات ، وشحنات البطارية.

أجهزة كربيد السيليكون

الترانزستورات SIC هي MOSFETs ذات الوضع الإلكتروني الطبيعي. يمكن أن تبديل هذه الأجهزة بترددات تصل إلى 1 ميغاهيرتز وفي المستويات الجهد والمستويات الحالية أعلى بكثير من MOSFETs السيليكون. يصل جهد المصدر الأقصى إلى حوالي 1800 فولت ، والقدرة الحالية هي 100 أمبير. بالإضافة إلى ذلك ، فإن أجهزة SIC لديها مقاومة أقل بكثير من MOSFETs السيليكون ، مما يؤدي إلى كفاءة أعلى في جميع تطبيقات إمدادات الطاقة التبديل (SMPS Designs).

تتطلب أجهزة SIC محرك جهد البوابة من 18 إلى 20 فولت لتشغيل الجهاز مع انخفاض المقاومة. تتطلب Si Mosfets القياسية أقل من 10 فولت عند البوابة للتشغيل بالكامل. بالإضافة إلى ذلك ، تتطلب أجهزة SIC محرك بوابة -3 إلى -5 فولت للتبديل إلى حالة إيقاف التشغيل. الجهد العالي ، القدرات الحالية العالية من SIC MOSFETs تجعلها مثالية لدوائر الطاقة السيارات.

في العديد من التطبيقات ، يتم استبدال IGBTs بأجهزة SIC. يمكن لأجهزة SIC التبديل بترددات أعلى ، مما يقلل من حجم وتكلفة المحاثات أو المحولات مع تحسين الكفاءة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن لـ SIC التعامل مع التيارات العليا من GAN.

هناك منافسة بين أجهزة GaN وSiC، خاصة وحدات LDMOS MOSFET السيليكونية، ووحدات MOSFET الفائقة، وIGBTs. في العديد من التطبيقات، يتم استبدالها بترانزستورات GaN وSiC.

لتلخيص مقارنة GAN مقابل SIC ، إليك أبرز الأحداث:

يتحول GaN بشكل أسرع من Si.

يعمل SiC بجهد أعلى من GaN.

يتطلب SiC الفولتية العالية لمحرك البوابة.

يمكن تحسين العديد من دوائر وأجهزة الطاقة من خلال التصميم باستخدام GaN وSiC. أحد أكبر المستفيدين هو النظام الكهربائي للسيارات. تحتوي السيارات الهجينة والكهربائية الحديثة على أجهزة يمكنها استخدام هذه الأجهزة. بعض التطبيقات الشائعة هي OBCs، ومحولات DC-DC، ومحركات المحركات، وLiDAR. يوضح الشكل 3 الأنظمة الفرعية الرئيسية في السيارات الكهربائية التي تتطلب ترانزستورات تحويل عالية الطاقة.

الشكل 3. شاحن WBG المدمج (OBC) للسيارات الهجينة والكهربائية. يتم تصحيح إدخال التيار المتردد، وتصحيح عامل الطاقة (PFC)، ومن ثم تحويل DC-DC

DC-DC Converter. هذه دائرة طاقة تحول الجهد العالي للبطارية إلى جهد أقل لتشغيل أجهزة كهربائية أخرى. يتراوح جهد البطارية اليوم إلى 600 فولت أو 900 فولت. يخطو محول DC-DC إلى 48 فولت أو 12 فولت ، أو كليهما ، لتشغيل المكونات الإلكترونية الأخرى (الشكل 3). في السيارات الكهربائية والكهربائية الهجينة (HeveVs) ، يمكن أيضًا استخدام DC-DC للحافلة عالية الجهد بين حزمة البطارية والعاكس.

شواحن على متن الطائرة (OBCs). تحتوي المكونات الإضافية و EVs على شاحن بطارية داخلي يمكن توصيله بإمدادات التيار المتردد. هذا يسمح بالشحن في المنزل دون الحاجة إلى شاحن AC - DC خارجي (الشكل 4).

سائق محرك القيادة الرئيسي. محرك الأقراص الرئيسي هو محرك AC عالي الإنتاج الذي يدفع عجلات السيارة. السائق هو عاكس يحول جهد البطارية إلى AC ثلاثي الطور لتحويل المحرك.

الشكل 4. يتم استخدام محول DC-DC نموذجي لتحويل الفولتية العالية للبطارية إلى 12 فولت و/أو 48 فولت. ويتم استبدال IGBTs المستخدمة في الجسور ذات الجهد العالي بوحدات SiC MOSFETs.

توفر ترانزستورات GaN وSiC لمصممي السيارات الكهربائية مرونة وتصميمات أبسط بالإضافة إلى الأداء المتفوق بسبب خصائص الجهد العالي والتيار العالي والتحويل السريع.

الفيتوك شبه الموصلات هي الشركة المصنعة الصينية المحترفةطلاء كربيد تانتالوم, طلاء كربيد السيليكون, منتجات الجاليوم, الجرافيت الخاص, السيراميك سيليكون كربيدوسيراميك أشباه الموصلات الأخرى. تلتزم شركة Vetek Semiconductor بتوفير حلول متقدمة لمختلف منتجات الطلاء لصناعة أشباه الموصلات.

إذا كانت لديك أي استفسارات أو كنت بحاجة إلى تفاصيل إضافية، فلا تتردد في الاتصال بنا.

Mob/Whatsapp: +86-180 6922 0752

البريد الإلكتروني: anny@veteksemi.com